HMF與FDCA專利技術介紹

 

刊登日期:2018/3/5
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從HMF到FDCA與PEF一系列的原料製程技術與材料應用技術在國際上正快速蓬勃發展,工研院在HMF、FDCA與PEF相關領域已擁有多項專利。本文針對HMF和FDCA的合成製造專利進行分析說明,提供各界對於HMF和FDCA相關生質材料技術的發展和研發內容的瞭解,以期結合台灣產業界共同促進相關材料應用方面的技術創新。

本文將從以下大綱,對HMF和FDCA的合成製造方面所建立的專利技術略加說明,希望對未來國內產業界在推動材料創新應用技術研發,以及與國際品牌供應鏈的聯結有所助益。
‧HMF相關衍生材料專利布局
‧HMF與FDCA合成專利介紹
 1. HMF合成:製備5-羥甲基糠醛之方法及裝置
 2. HMF合成:糠醛類化合物的製備方法及製備其的混合溶液
 3. FDCA合成:氧化製程
 4. FDCA合成:糠醛化合物的氧化反應催化劑組成及其應用方法

【內文精選】
研究結果顯示,在各國政策引導以及國際大廠的投入下,全球生質塑膠市場呈現逐年穩定成長的趨勢(圖一),2016年的產能達到4,156千噸,市場交易額約為130億歐元。雖然受到油價偏低的影響,以及生質料源有糧用作物之爭議等因素,導致近年成長率稍微趨緩,然而聚羥基烷酸酯(PHA)、高性能聚醯胺(PA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)的成長率則相對快速增加,而性質優越的新興生質材料聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯(polyethylene 2,5-furandicarboxylate; PEF)更是受到注目,預估到2021年PEF的產能將占生質塑膠產量的1.1%(圖二)。PEF是以2,5-呋喃二甲酸(2,5-furandicarboxylic acid; FDCA)和乙二醇為原料的聚酯高分子,它的阻氣性質已經被證明遠優於PET,預期在寶特瓶和其他機能性纖維材料應用之潛力極大。

圖二、2021年各種生質塑膠產能占有率預估
圖二、2021年各種生質塑膠產能占有率預估

台灣是國際上寶特瓶的重要供應國,寶特瓶年產量超過2億6千8百萬支;台灣也是全球機能性紡織品的主要供應國,對於國際品牌大廠積極發展FDCA與PEF材料技術的趨勢,國內相關業者都投注高度關切的目光,無不緊緊地盯著其商業化技術的發展狀況。

HMF相關衍生材料專利布局
FDCA是美國能源部認定為未來建構綠色化學工業的十二項優選化學品之一,它和HMF都是屬於多樣化的生質基結構單元,無論是建立其合成技術或應用技術都非常重要。工研院在HMF和FDCA相關專利申請和獲證的內容如表一所示,目前專利布局的方向基本上是沿著圖三所示的HMF衍生材料開發路徑展開。

表一、工研院在HMF與FDCA相關領域的專利狀況
表一、工研院在HMF與FDCA相關領域的專利狀況

HMF與FDCA合成專利介紹
1. HMF合成:製備5-羥甲基糠醛之方法及裝置
HMF由果糖轉化而來,在酸性觸媒催化之下脫水反應而得。但是因不易控制副反應使反應效率低與不易分離純化造成HMF生產成本過高,以致與其下游應用產品遲遲未能商業化。

為了達到提高由六碳糖脫水轉化成HMF的產率,本技術採用克服發生副反應的方法,以有機溶劑溶解果糖或蔗糖後之溶液連續流入含有催化劑的化學反應裝置,該裝置具有在反應生成HMF的同時萃取出HMF主產物與共沸除去生成之水,而得到HMF高產率的生產方法。這是首創同時應用共沸萃取和反應蒸餾技術達到5-羥甲基糠醛高產率的製備方法。HMF合成裝置示意圖如圖五所示。

2. HMF合成:糠醛類化合物的製備方法及製備其的混合溶液
在上一節中提及使用果糖進料時,應用兩相反應方法以不溶於水的有機溶劑從含酸的水相中連續萃取出HMF,以提升主產物HMF的選擇率,但是這個方法在以葡萄糖進料的系統卻沒有出現…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:黃英婷、許希彥、汪進忠/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」375期,更多資料請見下方附檔。


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